Interférence des ondes lumineuses

216843

IPhO - Optique ondulatoire

Interférence des ondes lumineuses

I - Observations

Le phĠnomğne dinterfĠrences est caractĠrisĠ par la superposition de deudž ou plusieurs ondes cohĠrentes de mġme

fréquence. Il se rencontre dans de très nombreux domaines ͗ ondes sonores, ondes radio, ondes ă la surface de leau,

ondes lumineuses.

papillons, et des arcs surnumĠraires de larc-en-ciel obserǀĠs juste en dessous de larc primaire (cf photographie figure

1 ci-dessous)1.

Approche expérimentale

Historiquement, le phénomène dinterfĠrences lumineuses a ĠtĠ dĠcouǀert par le saǀant anglais Thomas Young (1773-

1829) en 1801. Pendant ses études de médecine, il avait beaucoup étudié les ondes sonores, soutenant même une

et des ondes ă la surface de leau pour Ġtendre son ͨ principe dinterfĠrences » aux ondes lumineuses. Nous allons

suivre son approche pour aborder la compréhension de ce phénomène.

1 le de

Jearl Walker " le mystère des arcs en ciel et des arcs surnuméraires, si peu observés », revue Pour la Science

Figure 1 -en-ciel

Exemple 1 : interfĠrences dondes ă la surface de leau

Observations

Dans une cuve à ondes, un dispositif électromécanique permet à deux bras vibreurs de frapper simultanément la

Ces deux ondes sont visualisables ci-dessous, figure 2.a.

Dans la zone située entre les deux sources, et appelée champ dinterfĠrences, les ondes circulaires progressives se

superposent pour donner des lignes ou franges fixes dans le temps, alternativement claires et sombres.

Ceci est particulièrement bien visible sur la figure 2.b ci-dessus au centre où la fréquence réglable f a été augmentée.

un obstacle et de londe rĠflĠchie correspondante (figure 2.c ci-dessus à droite pour un obstacle rectiligne). On

remarquera les franges quasi-rectilignes en haut et ă gauche de lobstacle, et londe progressiǀe rĠflĠchie en bas ă

Interprétation de la figure dinterfĠrences

Sur la figure 3 ci-contre sont représentées les lignes de crêtes et de creux des ondes circulaires générées par les deux sources S1 et S2, et ce, à un instant où les deux mouvements en S1 et S2 présentent simultanément une amplitude madžimale. La longueur donde commune des ondes est de 1 cm. Les cercles en trait plein, de centre S1 et S2 et de rayons ,

2, 3 représentent les lignes de crêtes.

Les cercles en trait pointillé, de centre S1 et S2 et de rayons ...2 5,2 3,2 OO représentent les lignes de creux, décalées des prĠcĠdentes dune demi-longueur donde. le principe dinterfĠrence ͗ Les points situĠs ă lintersection repos.

Figure 2.a Figure 2.b Figure 2.c

En les reliant, on forme les franges sombres damplitude de mouǀement nulle : leau est calme en ces endroits.

sonores peut créer du silence ă certains endroits du champ dinterfĠrence.

Les points situĠs ă lintersection de deudž lignes de crġte (Repassez ces points en feutre rouge) ou de deux lignes de

creux (Repassez ces points en feutre bleu) sont le siğge dinterfĠrences constructiǀes et ǀibrent aǀec une amplitude

maximale.

En les reliant tous entre eudž, on forme les franges claires damplitude de mouǀement madžimale.

On remarquera que les points qui correspondent à la superposition de deux crêtes et ceux qui correspondent à la

superposition de deux creux vibrent à chaque instant en opposition de phase les uns par rapport aux autres. Mais,

ils apparaissent finalement avec le même éclairement.

Le principe de superposition ou dinterfĠrences nous permet donc de retrouǀer lallure des franges edžpĠrimentales.

Il ne sagit pas de la premiğre edžpĠrience dinterfĠrences lumineuses rĠalisĠe par Thomas Young, mais

incontestablement de son expérience la plus probante. Elle est décrite dans un recueil de conférences données à la

Royal Institution et publié en 1807. Elle établit de façon indiscutable la nature ondulatoire de la lumière sur des bases

expérimentales.

Pour réaliser son expérience des trous dYoung, Young fit passer la lumière du soleil par un petit trou S, situé sur un

Ġcran A. Le faisceau lumineudž sĠlargissait ensuite par phĠnomğne de diffraction et Ġclairait ainsi deudž petits trous S1

et S2 sur lĠcran B. Une nouǀelle diffraction se produisait, gĠnĠrant deux ondes sphériques issues de S1 et S2. qui se

superposaient sur un écran C.

Le dessin original de Thomas Young figure 5

ci-contre, paru dans les " Philosophical

Transactions » de 1803 concerne des ondes à

la surface de leau, mais illustre bien le phénomğne dinterfĠrences dans

En observant le dessin par la gauche sous un

angle très faible, on peut alors apercevoir une alternance de franges claires et sombres quasi-rectilignes là où les deux ondes sont respectivement en interférence constructive et destructive. On pourra remarquer ledžistence dune frange centrale claire dans le plan médiateur du segment S1S2.

Dans une ǀersion amĠliorĠe, car plus lumineuse, de cette edžpĠrience, appelĠe edžpĠrience des fentes dYoung, les trous

S0, S1 et S2 sont remplacés par des fentes fines F, F1, F2 parallèles, mais le principe de base reste le même.

Sur la figure 6.a, un faisceau laser a été élargi verticalement par réfraction grâce à une tige en verre cylindrique de

diamètre environ 3 mm placée horizontalement à la sortie du tube laser. Le faisceau est envoyé sur un doublet de

fentes dYoung. Le plan dobserǀation est parallèle au plan des fentes et les franges rectilignes observées sont elles

aussi parallèles aux fentes. Les franges très brillantes au centre sont équidistantes de i = 3 mm (distance mesurée

directement sur lĠcran͗ 4 interfranges с 12mm).

Les figures 6.b et 6.c correspondent ă une edžpĠrience des fentes dYoung rĠalisĠe en lumiğre blanche (projecteur de

diapositives avec ampoule quartz/iode de 150W).

Entre les expériences 6.a et 6.b, les conditions sont exactement identiques. Seule la nature de la source lumineuse a

changé.

Figure 6.a

Fentes dYoung avec un laser

Hélium/Néon élargi

Largeur des fentes : b = 100 m

Distance entre les fentes : a = 350 m

Écran à D = 1,70 m

Figure 6.b

Fentes dYoung en lumière

blanche

Largeur des fentes : b = 100 m

IPhO - Optique ondulatoire

Interférence des ondes lumineuses

I - Observations

Le phĠnomğne dinterfĠrences est caractĠrisĠ par la superposition de deudž ou plusieurs ondes cohĠrentes de mġme

fréquence. Il se rencontre dans de très nombreux domaines ͗ ondes sonores, ondes radio, ondes ă la surface de leau,

ondes lumineuses.

papillons, et des arcs surnumĠraires de larc-en-ciel obserǀĠs juste en dessous de larc primaire (cf photographie figure

1 ci-dessous)1.

Approche expérimentale

Historiquement, le phénomène dinterfĠrences lumineuses a ĠtĠ dĠcouǀert par le saǀant anglais Thomas Young (1773-

1829) en 1801. Pendant ses études de médecine, il avait beaucoup étudié les ondes sonores, soutenant même une

et des ondes ă la surface de leau pour Ġtendre son ͨ principe dinterfĠrences » aux ondes lumineuses. Nous allons

suivre son approche pour aborder la compréhension de ce phénomène.

1 le de

Jearl Walker " le mystère des arcs en ciel et des arcs surnuméraires, si peu observés », revue Pour la Science

Figure 1 -en-ciel

Exemple 1 : interfĠrences dondes ă la surface de leau

Observations

Dans une cuve à ondes, un dispositif électromécanique permet à deux bras vibreurs de frapper simultanément la

Ces deux ondes sont visualisables ci-dessous, figure 2.a.

Dans la zone située entre les deux sources, et appelée champ dinterfĠrences, les ondes circulaires progressives se

superposent pour donner des lignes ou franges fixes dans le temps, alternativement claires et sombres.

Ceci est particulièrement bien visible sur la figure 2.b ci-dessus au centre où la fréquence réglable f a été augmentée.

un obstacle et de londe rĠflĠchie correspondante (figure 2.c ci-dessus à droite pour un obstacle rectiligne). On

remarquera les franges quasi-rectilignes en haut et ă gauche de lobstacle, et londe progressiǀe rĠflĠchie en bas ă

Interprétation de la figure dinterfĠrences

Sur la figure 3 ci-contre sont représentées les lignes de crêtes et de creux des ondes circulaires générées par les deux sources S1 et S2, et ce, à un instant où les deux mouvements en S1 et S2 présentent simultanément une amplitude madžimale. La longueur donde commune des ondes est de 1 cm. Les cercles en trait plein, de centre S1 et S2 et de rayons ,

2, 3 représentent les lignes de crêtes.

Les cercles en trait pointillé, de centre S1 et S2 et de rayons ...2 5,2 3,2 OO représentent les lignes de creux, décalées des prĠcĠdentes dune demi-longueur donde. le principe dinterfĠrence ͗ Les points situĠs ă lintersection repos.

Figure 2.a Figure 2.b Figure 2.c

En les reliant, on forme les franges sombres damplitude de mouǀement nulle : leau est calme en ces endroits.

sonores peut créer du silence ă certains endroits du champ dinterfĠrence.

Les points situĠs ă lintersection de deudž lignes de crġte (Repassez ces points en feutre rouge) ou de deux lignes de

creux (Repassez ces points en feutre bleu) sont le siğge dinterfĠrences constructiǀes et ǀibrent aǀec une amplitude

maximale.

En les reliant tous entre eudž, on forme les franges claires damplitude de mouǀement madžimale.

On remarquera que les points qui correspondent à la superposition de deux crêtes et ceux qui correspondent à la

superposition de deux creux vibrent à chaque instant en opposition de phase les uns par rapport aux autres. Mais,

ils apparaissent finalement avec le même éclairement.

Le principe de superposition ou dinterfĠrences nous permet donc de retrouǀer lallure des franges edžpĠrimentales.

Il ne sagit pas de la premiğre edžpĠrience dinterfĠrences lumineuses rĠalisĠe par Thomas Young, mais

incontestablement de son expérience la plus probante. Elle est décrite dans un recueil de conférences données à la

Royal Institution et publié en 1807. Elle établit de façon indiscutable la nature ondulatoire de la lumière sur des bases

expérimentales.

Pour réaliser son expérience des trous dYoung, Young fit passer la lumière du soleil par un petit trou S, situé sur un

Ġcran A. Le faisceau lumineudž sĠlargissait ensuite par phĠnomğne de diffraction et Ġclairait ainsi deudž petits trous S1

et S2 sur lĠcran B. Une nouǀelle diffraction se produisait, gĠnĠrant deux ondes sphériques issues de S1 et S2. qui se

superposaient sur un écran C.

Le dessin original de Thomas Young figure 5

ci-contre, paru dans les " Philosophical

Transactions » de 1803 concerne des ondes à

la surface de leau, mais illustre bien le phénomğne dinterfĠrences dans

En observant le dessin par la gauche sous un

angle très faible, on peut alors apercevoir une alternance de franges claires et sombres quasi-rectilignes là où les deux ondes sont respectivement en interférence constructive et destructive. On pourra remarquer ledžistence dune frange centrale claire dans le plan médiateur du segment S1S2.

Dans une ǀersion amĠliorĠe, car plus lumineuse, de cette edžpĠrience, appelĠe edžpĠrience des fentes dYoung, les trous

S0, S1 et S2 sont remplacés par des fentes fines F, F1, F2 parallèles, mais le principe de base reste le même.

Sur la figure 6.a, un faisceau laser a été élargi verticalement par réfraction grâce à une tige en verre cylindrique de

diamètre environ 3 mm placée horizontalement à la sortie du tube laser. Le faisceau est envoyé sur un doublet de

fentes dYoung. Le plan dobserǀation est parallèle au plan des fentes et les franges rectilignes observées sont elles

aussi parallèles aux fentes. Les franges très brillantes au centre sont équidistantes de i = 3 mm (distance mesurée

directement sur lĠcran͗ 4 interfranges с 12mm).

Les figures 6.b et 6.c correspondent ă une edžpĠrience des fentes dYoung rĠalisĠe en lumiğre blanche (projecteur de

diapositives avec ampoule quartz/iode de 150W).

Entre les expériences 6.a et 6.b, les conditions sont exactement identiques. Seule la nature de la source lumineuse a

changé.

Figure 6.a

Fentes dYoung avec un laser

Hélium/Néon élargi

Largeur des fentes : b = 100 m

Distance entre les fentes : a = 350 m

Écran à D = 1,70 m

Figure 6.b

Fentes dYoung en lumière

blanche

Largeur des fentes : b = 100 m